Integrierte Photovoltaiksysteme auf dem Weg in die Zukunft

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1 Integrierte Photovoltaiksysteme auf dem Weg in die Zukunft Lukas Rohr Berner Fachhochschule Technology Briefing Intelligente Gebäude heute und morgen t Berner Lukas Rohr

2 PV-Systeme auf dem Weg in die Zukunft Potential Sonnenenergie Die Anfänge Entwicklung der PV Anlagen Smart Grid Lukas Rohr

3 Clean Technologies als nächste Phase der industriellen Revolution 1. -Web- Revoluti Spinnmaschinen on -Dampfmaschinen -Eisenbahn -Eisen, Kohle -Telegraph 2. Revoluti or -Elektromotor on Verbrennungsmot -Öl -Telefon -Chemie 3. Revoluti on -Flugzeuge on Fliessbandprodukti -Radio / TV -Automatisierung -Atomenergie 4. -Computer Revolut -Internet -Gentechnologie ion - Mikrotechnologi e 5. -Clean- Revoluti Technologie -Erneuerbare on Energie -Nachhaltigkeit ca ca ca ca ca Quelle: Meyer Burger Technologie Lukas Rohr

4 Die Solarenergie hat das grösste Potenzial Solar Geothermie Wind Gezeiten- und Wellenkraft Wasserkraft TW 12.0 TW 3.0 TW 2.0 TW 0.5 TW Solar hat im Vergleich mit erneuerbaren Energien das grösste Potential, die wachsende Weltenergienachfrage zu decken! Quelle: Engineering and Science Nr. 2, Lukas Rohr

5 Energiewende in der Schweiz: das Menü ist Photovoltaik der Rest ist Beilage! Lukas Rohr

6 Solarstrom wird günstiger als Haushaltsstrom Quelle: EUPD Research Lukas Rohr

7 Autonome Stromversorgungen Geodätische Messanlage mit PV-Stromversorgung zur Überwachung von Stauseen im Rahmen der Tunnelbohrung der Alp Transit (Basis Gotthardtunnel in der Schweiz) - worst case Fall: Funktion im Winter! Muntwyler Energietechnik AG

8 Tour de Sol-Solarmobilrennen ab 1986 Vom Solarmobil zu den Solarstrom-Anlagen Lukas Rohr

9 Markus Real (Alpha Real AG) Schweizer Pionier bei PV Anlagen und Gebäude 1979 baute der Schweizer Pionier Markus Real die erste PV Anlage in Europa die Strom ins Netz einspeiste. 1.5kW Modul (Arco) auf einem Geräteschuppen des PSI 1986 Megawattprojekt: 333 Solarkraftwerke à 3kW für Franken. Damit demonstrierte er erstmals die Machbarkeit der grossmassstäblichen Stromeinspeisung Lukas Rohr

10 Spirit of Biel der Ingenieurschule (heutige BFH) Spirit of Biel / Bienne Bieler Ingenieure konnten mit dem Spirit of Biel/Bienne grosse Erfolge im Solarrennsport erringen: 1986: 1. Rang an der Tour de Sol in der Schweiz (Solarfahrzeugweltmeisterschaft) 1987: 3. Platz an der World Solar Challenge in Australien 1990: 1. Platz an der World Solar Challenge in Australien 1993: 2. Platz an der World Solar Challenge in Australien 1996: 2. Platz an der World Solar Challenge in Australien Lukas Rohr

11 Solarhaus in der Schweiz 80-er Jahre Solare Luftheizung und netzgekoppelte PV-Anlage

12 Typische Solaranlagen der 1. Generation Foto: KfW-Bildarchiv / Fotograf: Thomas Klewar

13 1993 Jungfraujoch 1993 höchstgelegene netzgekoppelte Photovoltaikanlage auf dem Jungfraujoch kwp Bis zu 250 km/h Windgeschwindigkeiten Temperaturdifferenz Tag-Nacht bis zu 70 Grad C Jahresperformance PR 87% (1998) Prof. H. Häberlin, Ingenieurschule Burgdorf (BFH) Solarpionier 2011

14 Schulhaus Lauperdorf (SO) mit Photovoltaik als Beschattungsanlage Verwendung von Arco Solar M 65 Standardmodulen und ASP Solar-WR als Beschattung anstelle einer Storenanlage (Realisation ca. 1990)

15 Flachdachanlage als schwarze Fläche Falsche Fassadenanlage in Bussigny: Optimierung: Gute Flächenausnutzung versus Verschmutzung und Lebensdauer. Niedriger Quadratmeterpreis durch a-si Dünnschicht- Module! Schulhaus Bussigny (VD) Copyright Muntwylers SolarAkademie

16 Innovative Ansätze? Quelle: Sonnenkraftwerk Köthen (D) auf einem alten Mitlitärflugplatz ((52 MW)

17 Montagemöglichkeiten von PV-Modulen Copyright Muntwylers SolarAkademie

18 Solarbrüter von Solarex Frederick (USA) Fabrik für PV- Module in Frederick (USA) geplant in den 80- er Jahre um die dachintegrierte PV - Anlage herum!

19 Solarstrom will das ganze Dach Plusenergie-Gebäude (Solarpreisgewinner 2009 in Thalwil)

20 ... falsch geplante Dächer in Bern 2011/ 12 die Architekten liessen sich von Villen um 1900 inspirieren

21 Plushaus - Bauernhof in Chateaux d Oeux 130 kwp dachintegrierten Standard - Solarmodulen mit Resol Multi-String Wechselrichtern!

22 Problem Mechanische Befestigung von PV-Modulen Die mechanische Befestigung von Solarmodulen wird in Zukunft vermehrten Extremereignissen durch Wind und Schnee ausgesetzt (Klimaveränderung). Der Auslegung der Montagekonstruktionen ist also vermehrte Aufmerksamkeit zu widmen. Der PV-Ingenieur sollte dafür Statiker beiziehen. Windlasten sind in Randzonen des Daches erhöht. Der maximale Druck durch Schneelasten ist bei Modulen mit N/m 2 schnell erreicht. Winddruck in Hochhäusern kann über N/m 2 betragen Copyright Muntwylers SolarAkademie

23 Idee: Optimale Nutzung der Sonnenenergie Fassaden (90-er Jahre) Copyright Muntwylers SolarAkademie

24 Fassaden als visuelle Elemente in der Stadt Copyright Muntwylers SolarAkademie 90-er-Jahre in Lausanne (CH): Laminate Solarex MSX 120

25 Solarfassade im Skigebiet Trockener Steg in Zermatt auf m über Meer (2009) 66 BP Solar ENDURA mit Fronius IG Plus als vorgehängte Fassade (15 kwp). Muntwyler Energietechnik AG

26 Problem Teilbeschattungen: Ständige Teilbeschattungen der Fassadenanlage

27 Zukunft: von BIPV zu BPV: Planung von BIPV (building integrated photovoltaics) zu BPV (Building photovoltaics) «PV Gebäudehüllen» PV-Anlage in Holzfassade integriert Polykristalline Standardelemente von Sharp in die Holzfassade integriert (Thalwil bei Zürich). Die Anlage ist netzgekoppelt und produziert Wp mit Fronius IG 15.

28 Pilotprojekt: Sanierung Hochhäuser Sihlweid in Zürich Leimbachstrasse 215 Sihlweidstrasse 1 Leimbachstrasse 210 Nord

29 Grösste umlaufende PV Dünnschicht- Fassade der Welt (2 x Wp) Sanierung zweier 60m Hochhäuser in Zürich: - Ziel Baugenossenschaft Zurlinden BGZ: Watt Regel erfüllen! - Solarmodule auf allen 4 Seiten Rentabel ohne KEV/ EEG - Erfüllen aller Bauvorschriften in Zürich - Dünnschicht-Solarmodule für günstigen Quadratmeterpreis

30 Modul NA-F128G5 von Sharp Vorgabe Baugenossenschaft Zurlinden (BGZ/ Zürich) Nennleistung (STC): 128Wp Wirkungsgrad: 9% Amorphe und mikrokristalline Tandemstruktur Teilbeschattungen können das Modul beschädigen Dünnschichtmodul NA-F128G5 Mehrkosten pro Quadratmeter 2010: sfr. 50. (2012 ca. minus sfr )

31 Mechanische Tests bei der BFH in Biel Das Solarmodul ist auf N/m 2 spezifiziert. Die gerechnete maximale Windböe ist N/m 2. Weil das Solarmodul nachträglich verstärkt wurde (wegen Schneeschäden), konnte vermutet werden, dass es stabil genug ist. Das Modul zerbrach bei N/m 2 Die Splitter des Deckglases (Dünnschicht-Solarmodule haben kein Verbundglas) blieben im Modul.

32 Druck und Sogtest bei der BFH: Das Fassadenelement wird an der BFH getestet!

33 Planung und Vorbereitung Sihlweid Detaillösungen wurden am 1:1 Modell getestet!

34 Modul NA-F128G5 von Sharp Beschaltung: vertikale Teilbeschattung von Zellen erlaubt/ horizontale Beschattung ganzer Zellen nicht erlaubt!

35 Vorschriften Feuerpolizei/ Brandschutz Wechselrichterstandort: EG Studium von Brandschutz mit Steinwoll-Matten hinter den Solarmodulen Vorgaben Feuerpolizei FE180 Installationsmaterial Material vom Typ FE180

36 Gewählte Lösung: Number of modules P G0 / kwp Annual production / MWh Specific annual production/kwh/k Wp/year Süd V1 216 (+36) Ost V Nord V5 281 (+7) West V Gesamte Anlage Energieproduktion nach Fassaden

37 Fazit Sihlweid : Interessante Anwendung von PV Heikle technische Probleme Neues Gebiet der PV Es braucht interdisziplinäre Zusammenarbeit Der Architekt muss mitziehen (oder gezwungen werden ) 2012: Leimbachstrasse 215 ausgeführt

38 Wie sieht ein PV-Gebäude aus? Umweltarena in Spreitenbach bei Zürich mit PV-Hülle

39 Nicht jede machbare Form sollte auch gemacht werden. Komplizierte Dachformen und Flächen sind teuer und werden ein schlechtes Alter haben Leuchtturm mit bösem Alter? BFH Bern TI PV Lab

40 Anforderungen Hinterlüftung ist in Solarfassaden wichtig! Maximale Fassadentemperatur bei Tu 1 Grad und Solarstrahlung G * 600W/m 2 : 61 Grad Celsius! Damit sinkt die Leistung um 15%. Bei maximalen Bedingungen können 90 Grad erreicht werden!

41 Zusammenfassung BIPV - BPV Die Planung von gebäudeintegrierten PV-Anlagen ist kompliziert und bedingt BIPV bzw. BPV - Fachleute. Die meisten Architekten haben wenig Ideen zur Nutzung der PV in Gebäudehüllen. PV-Ingenieure haben wenig Wissen über Architektur. Realisierte BIPV Lösungen waren kundenspezifisch und teuer Die PV-Branche hat im Moment andere Sorgen. 3D-Konstruktion Simulation/Berechnung Schnittstelle zu Ing.

42 Moderne PV Gebäude Solarzentrum Allgäu China präsentiert das nachhaltigste Gebäude der Welt eine Blume. Die Wuhan Energy Blume, von der niederländischen Firma Grontmij in Zusammenarbeit mit Soeters Van Eldonk Architekts ist die erste in der Welt, das einen Building Research Establishment Environmental Assessment Method (BREEAM) erhält ein herausragende Akkreditierung. Inspiriert durch Calla Lily flower, wird dieses Gebäude Gastgeber des Energiezentrums von Wuhan sein, CO2-frei und mit Null-Energie-Ambitionen

43 Vom Stromnetz zu Smart Grid 1882 entwickelte und baute Thomas Edison das erste Gleichstromkraftwerk. Die Übertragung des Stromes war auf eine Quadratmeile beschränkt Heute ist das US-Stromnetz das grösste vernetzte technische System der Welt mit mehr als Meilen Länge. Der Grossteil der Infrastruktur ist über 50 Jahre alt.

44 Facts Der Spitzenstrom ist nach oben geschnellt. Seit 1970 haben sich die Übertragungsverluste auf knapp 10% erhöht. Das Verteilnetz ist ineffizienter geworden. Gleichzeitig wurde nur 2% für die Forschung der Energieinfrastruktur ausgegeben. Für neue Energiedienstleitungen waren es 12%! Der Strombedarf wird steigen. Das Angebot wird zunehmend schwanken durch den immer grösseren Teil an erneuerbaren Energien Die Stromnetze müssen flexibler und effizienter werden smarter - werden!

45 Projekt Swiss-to- Grid Beeinflussung der residualen Netzlast durch verteilte Inelligienz SUPSI / BFH-TI / KWO / BacherEnergie / Battery Consult / Drivetec

46 Smarter electricity systems:

47 Trends in Smart Grid Mehr Stromverbrauch mehr fluktuierende Stromproduktion aus erneuerbaren Energien Energietechnik benötigt IT zur Sicherung der Stromversorgung Das Verhalten des Stromnetzes ähnelt dem Internet viele Verbraucher viele Produzenten werden smart vernetzt! Die Ingenieure werden aufgewertet neue Märkte entstehen!

48 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit Herzlichen Dank an die Mitarbeiter Urs Muntwyler David Joss Monika Muenger Nicole Reber Daniel Bützer Danie Gfeller Michael Walczak Auch in Englisch erhältlich